可穿戴設(shè)備電源設(shè)計(jì)難？

便攜式電子設(shè)備尤其是可穿戴設(shè)備正在成為我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?，這些設(shè)備讓我們的學(xué)習(xí)、工作、鍛煉、旅行、交流和監(jiān)控等事情變得非常方便。比如在醫(yī)療應(yīng)用中，可穿戴設(shè)備可用于監(jiān)測(cè)心率、血壓、血氧水平、運(yùn)動(dòng)期間消耗的卡路里、睡眠跟蹤等。

為了提供更好的用戶(hù)體驗(yàn)，高性能、小尺寸和低功耗是這些可穿戴設(shè)備的關(guān)鍵指標(biāo)。若要滿(mǎn)足這些指標(biāo)通常需要在電路設(shè)計(jì)上進(jìn)行一些權(quán)衡。例如，為了滿(mǎn)足特定的功耗目標(biāo)，設(shè)計(jì)師通常不得不增加設(shè)備的尺寸。

那么，有沒(méi)有辦法能夠做到既不增加這些電池供電設(shè)備的尺寸，又能有效延長(zhǎng)電池的壽命呢？答案是：有！

SIMO PMIC：為小尺寸高能效應(yīng)用打開(kāi)一扇窗

具有輕巧緊湊外形的可穿戴設(shè)備通常使用的是微型電池。盡管在過(guò)去十年中電池的容量有所提高，但儲(chǔ)存的電量在有限的一段時(shí)間后會(huì)迅速耗盡。因此，需要定期更換電池或?qū)⑵涓鼡Q為可充電電池，可穿戴設(shè)備的成本就會(huì)增加。

電源管理集成電路 (Power Management IC，PMIC) 是一種高集成度電源產(chǎn)品，它將傳統(tǒng)的多路輸出電源封裝在一顆芯片內(nèi)，從而以更小的體積在多電源應(yīng)用場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)高效率，常用于以電池作為電源的裝置。當(dāng)應(yīng)用于可穿戴設(shè)備時(shí)，PMIC不僅優(yōu)化了布局，還能最大化系統(tǒng)的能源效率，從而有效延長(zhǎng)電池的使用壽命。

直流-直流 (DC-DC) 轉(zhuǎn)換器為電子產(chǎn)品中最常用的PMIC，因具有較高的轉(zhuǎn)換效率，近年來(lái)已經(jīng)成為市場(chǎng)的主力。依據(jù)工作模式及儲(chǔ)能元件的不同，DC-DC轉(zhuǎn)換器又可分為線(xiàn)性穩(wěn)壓器 (LDO) 、電感式降/升壓 (Buck/Boost) 開(kāi)關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器以及電容式開(kāi)關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器 (Switched Capacitor DC-DC Converter) 。這三種不同架構(gòu)的DC-DC轉(zhuǎn)換器在物理尺寸、靈活性和效率方面存在著一些差異，其中：

LDO可以完全集成且電壓可擴(kuò)展性好，但效率不高；

電容式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器同樣可以完全集成且效率高，但電壓的可擴(kuò)展性差；

電感式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器效率非常高且電壓具有可擴(kuò)展性，缺點(diǎn)是不能完全集成。

電容式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 (也稱(chēng)為電荷泵) 其輸出電壓可擴(kuò)展性極其有限。通常，電荷泵被認(rèn)為是柵極驅(qū)動(dòng)器 (Gate Drivers) 的合適選擇。然而，在可穿戴設(shè)備的電路中，沒(méi)有配備電荷泵在輸出特定電壓下所需的電流，因此，可穿戴設(shè)備大多選擇線(xiàn)性L(fǎng)DO和電感式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 (Buck/Boost) ，二者均能提供設(shè)計(jì)中所需的靈活的電源管理。

在可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)中，是選擇線(xiàn)性L(fǎng)DO還是降/升壓拓?fù)洌@其中也需要做一定的權(quán)衡。在傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)中，穩(wěn)壓器的每路輸出都需要一個(gè)獨(dú)立電感，這些電感往往體積大、成本高，不利于實(shí)現(xiàn)小尺寸封裝。為減小尺寸，人們常常會(huì)選擇緊湊和低噪聲的LDO，但LDO的損耗又比較大。當(dāng)然，也不是別無(wú)出路，我們還有另一種選擇。

基于單電感多輸出 (SIMO) 架構(gòu)的PMIC采用單電感作為儲(chǔ)能元件，支持多路獨(dú)立的直流輸出。與傳統(tǒng)的DC-DC轉(zhuǎn)換器相比，SIMO電源轉(zhuǎn)換器通過(guò)單電感提供多路輸出，將原本需要多個(gè)分立元件的功能集成到較小封裝，在節(jié)省空間的同時(shí)仍然保持高效率，為要求延長(zhǎng)電池壽命的小尺寸設(shè)備提供了最佳方案。

圖1：SIMO架構(gòu)方框圖 (圖源：Maxim)

Maxim SIMO PMIC方案：有效縮減IoT設(shè)備的電源尺寸

斷縮小電子產(chǎn)品尺寸、減少發(fā)熱并提升效率、延長(zhǎng)電池壽命，使電子產(chǎn)品在消費(fèi)者的生活中提供更完整的功能是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者始終如一的追求。Maxim Integrated (Maxim) 有豐富的SIMO PMIC產(chǎn)品和方案，針對(duì)便攜式設(shè)備獨(dú)特的設(shè)計(jì)需求有專(zhuān)用的SIMO PMIC可供選擇，比如MAX77650和MAX77651。

這兩種產(chǎn)品采用微功耗SIMO升/降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，集成150mA LDO為噪聲敏感電路供電。在MAX77650/MAX77651中，SIMO利用單個(gè)電感提供三路獨(dú)立的可編程電壓輸出，形成創(chuàng)新的電源管理方案，非常適用于小型Li+電池供電產(chǎn)品。

圖2：SIMO架構(gòu)的MAX77650/1布局示意圖 (圖源：Maxim)

基于上述方案，Maxim不斷擴(kuò)大其SIMO PMIC產(chǎn)品組合，隨后推出的MAX17270、MAX77278、MAX77640/MAX77641和MAX77680/MAX77681等一系列PMIC產(chǎn)品，更是將電源管理電路尺寸最大縮減了近一半，廣泛支持可穿戴設(shè)備、耳戴式設(shè)備、傳感器、智能家居等自動(dòng)化控制中心以及物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 等空間受限產(chǎn)品。

TI 雙電源轉(zhuǎn)換器TPS65135：為AMOLED顯示提供電源驅(qū)動(dòng)

TPS65135器件是由Texas Instruments (TI) 公司提供的一款高效的分離軌電源。該轉(zhuǎn)換器具有單電感器和多輸出 (SIMO) 拓?fù)?，因此使用的外部組件極少。該器件采用降壓/升壓拓?fù)洌⑸筛哂诨虻陀谳斎腚娫措妷旱恼?fù)輸出電壓。

TI稱(chēng)TPS65135擁有良好的線(xiàn)路瞬態(tài)調(diào)節(jié)能力，這一特性非常必要，例如，可避免移動(dòng)通信系統(tǒng)在傳輸階段產(chǎn)生的輸入電壓偏差對(duì)手機(jī)顯示的干擾。根據(jù)TI的應(yīng)用筆記，這一特性主要源于SIMO拓?fù)?，原理是這樣的：

在不連續(xù)傳導(dǎo)模式 (DCM) 中，傳輸?shù)捷敵龆说碾娏饔呻姼须娏鞯姆逯岛托甭蕸Q定。如圖3所示，其中陰影區(qū)域顯示的平均輸出電流對(duì)于不同的輸入電壓是相同的。因?yàn)檗D(zhuǎn)換器使用峰值電流模式控制，所以只要負(fù)載電流固定，峰值電流就固定。電感電流的下降斜率由正負(fù)輸出電壓與電感值之間的差值給出，與輸入電壓無(wú)關(guān)。

因此，在放電時(shí)，輸入電壓的任何變化都會(huì)改變轉(zhuǎn)換器的占空比，但不會(huì)改變電感電流的峰值或斜率。因此，面積A給出的平均輸出電流在任何輸入電壓變化下都保持不變。

圖3：TPS65135具備固有的良好線(xiàn)路瞬態(tài)調(diào)節(jié)能力 (圖源：TI)

TPS65135產(chǎn)品可用于從2.5V至5.5V范圍內(nèi)的輸入電源電壓生成分流軌電源，并針對(duì)單電池鋰離子電池的3.3 V軌進(jìn)行了優(yōu)化，圖4為T(mén)PS65135在±5V AMOLED顯示電源中的典型應(yīng)用。僅通過(guò)一個(gè)2.2μH電感，TPS65135在一個(gè)降壓－升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中運(yùn)行就可生成一個(gè)正輸出電壓和負(fù)輸出電壓。當(dāng)輸出電流不匹配達(dá)到50%或更低，它可以通過(guò)降壓-升壓產(chǎn)生高達(dá)6V的正輸出電壓和低至-7V的負(fù)電壓 (即輸入電源電壓可能高于或低于正輸出電壓) 。兩個(gè)輸出都由EN引腳控制：高邏輯電平時(shí)啟用兩個(gè)輸出，低邏輯電平時(shí)禁用它們。當(dāng)輸入電源電壓過(guò)低，無(wú)法正常工作時(shí)，集成的UVLO功能將禁用設(shè)備。

圖4：TPS65135在±5V AMOLED顯示電源中的典型應(yīng)用 (圖源：TI)

結(jié)語(yǔ)

薄、小、輕是可穿戴設(shè)備的物理要求，也是當(dāng)今可穿戴技術(shù)限制電池壽命的主要原因。符合要求的傳統(tǒng)電池，如鋰離子硬幣電池，可能適合傳感器和其他低功耗可穿戴設(shè)備，但它們難以滿(mǎn)足健身帶和智能手表等功能更強(qiáng)的可穿戴設(shè)備的需求。延長(zhǎng)電池壽命對(duì)于這類(lèi)設(shè)備獲得市場(chǎng)認(rèn)可至關(guān)重要。任何人都不希望智能穿戴設(shè)備的電池在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)用完。然而，電池復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)大大增加設(shè)備的尺寸和成本，給人們佩戴帶來(lái)不便。

為了使可穿戴設(shè)備能夠長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行、能量收集、電池管理、電源管理和低功耗解決方案都是延長(zhǎng)可穿戴設(shè)備電池壽命的有效措施。SIMO PMIC解決方案既提高了設(shè)備的能源效率，較高的集成度還大幅縮減了電路板的尺寸，是電池供電設(shè)備電源管理的理想方案。

審核編輯：郭婷